山區礦山公路隧道洞口選線研究

黃俊彰,周 群

(廣西路橋集團勘察設計有限公司,廣西 南寧 530201)

0 引言

廣西地處我國地勢第二臺階中的云貴高原邊緣,境內喀斯特地貌廣布,約占土地總面積的37.8%,發育類型之多世界少見。然而,近年來隨著廣西基礎設施建設步伐的加快,山區隧道的建設也越來越多,其面臨的地形、地質條件也越來越復雜,山區公路隧道選線難度也越來越大[1-4]。

如何在復雜地形地質條件下設計出一條平縱橫斷安全、經濟合理的公路隧道路線,其最關鍵的問題是隧道洞口位置的選擇及其線形設計[5-6]。尤其是礦山公路,其道路等級一般較低,存在坡陡彎急、坡度大、半徑小、視距不足的問題,而車輛負載一般較大,若隧道洞口位置的選擇及其線形設計不合理,不僅直接關系到公路工程造價,而且易導致施工期間的坍塌、開裂,以及運營期間交通安全事故的發生。

本文以河池市金城江區東江鎮后言拉灘建筑石料用灰巖礦隧道工程為工程背景,通過實際工程,對山區公路隧道洞口選擇及隧道線形設計進行深入探討,并在背景工程中進行實際應用,探索山區礦山公路隧道選線思路,總結實際工程應用經驗,為類似礦山公路隧道洞口選線提供一定的參考。

1 工程概況

河池市金城江區東江鎮后言拉灘建筑石料用灰巖礦隧道工程位于河池市金城江區東江鎮后言拉灘石灰巖采石場,為采石場內部專用隧道,日常出入車輛為施工或貨運車輛,交通量相對較少,但車輛載重均較大,易發生交通安全事故。

項目隧道下穿石灰巖嶺坡,隧道進口樁號為K0+670,設計高程為244.33 m,出口樁號終點為K1+780,設計高程為264.31 m,隧道長1 110 m,最大埋深為202.88 m,為單拱長隧道(見圖1)。

根據區域地質資料,隧址走廊帶內地層主要為新生代的第四系沖洪積(Q4al+pl)碎塊石、殘積坡(Q4el+dl)黏土或碎塊石夾黏土;二疊系下統棲霞階(P1q)以灰黑、灰色致密灰巖、細晶灰巖為主,中上部夾少量含燧石團塊灰巖;局部地段夾一層白云質灰巖薄層。底部以灰黑色不純灰巖(稍含泥質,打擊具硫化氫臭味)與石炭系上統淺色灰巖分界。

經分析,項目路線區域內巖層趨于穩定,后期地質運動對該區域影響較小,沒有區域性大褶皺和大斷層,現場地質調查也未發現斷層出露,路線帶內地質構造較好,適宜工程建設。

2 山區公路隧道洞口選線原則分析

2.1 隧道洞口選擇原則

公路隧道洞口的選擇是隧道選線最復雜也是最重要的環節,尤其在洞口邊仰坡設計與施工中,穩定性是最為關鍵的先決條件,根據實際工程經驗,影響洞口位置選擇的最主要因素是洞口、周邊的地形地貌以及復雜的地質條件,一般需遵循“早進洞、晚出洞”基本原則,具體如下:

(1)隧道洞口在選擇時,應充分考慮洞口附近的地形地貌,其中線與等高線的關系以相互垂直為最優,但當地形條件受限時,應進行多位置比較,中線與等高線斜交角度越大越好,嚴禁中線與等高線平行進洞的現象發生。

(2)在選擇隧道洞口時,應充分考慮洞口附近的地質條件,綜合對比,選擇地質相對穩定的區域進行設計,盡最大可能避免或減少洞口路段出現嚴重偏壓的問題;當遇到溝谷或山凹的地形,洞口位置應盡可能地避開這些地表水及地下水易匯集且地質構造破碎的地方,選擇在山坡附近的位置進洞。

(3)在選擇隧道洞口時,對于周邊地質條件均相對較差,巖層層面相對不穩定的,出于安全考慮,宜早進洞,避免洞口在開挖后出現順層滑動、坍塌等事故。

此外,洞口位置應盡量與周圍環境相融合,與隧道前后構造物相適應,更重要的是,在洞口施工期間可能需要爆破作業,應考慮洞口離周邊居民房屋的安全距離,不能對周邊居民生活造成影響。

2.2 隧道洞口平面線形設計原則

隧道洞口平面線形主要按以下原則進行路線平面線形設計[7-8]:

(1)對于3 s的設計速度行程長度(包括隧道洞口內外),應注重其平面線形設計,這一范圍內的平面線形不應發生改變,且對于曲率不斷變化的緩和曲線,其平面線形應認為發生了改變。

(2)對于平縱線形指標較高的洞口路線段,當洞口段線形縱斷面最大縱坡<2%,或行車視距是停車視距限值兩倍多,應重視平面線形調整,保證隧道洞口內外平面線形連接的順暢。

(3)對于特殊路段,若工程規模在路線調整后變大很大,從經濟與安全角度出發,為保證隧道洞口內外平面線形連接的順暢,可考慮采用緩和曲線與圓曲線組合或直接采用緩和曲線進行設計。

(4)對于隧道洞口有較大縱坡需要進行設置時,為保證安全,平曲線半徑不宜設置過小。

此外,隧道洞口內外在誘導和光過渡等方面應采取足夠的安全措施,設置誘導及安全標志,確保運營期的行車安全。

2.3 隧道洞口縱斷面線形設計原則

隧道洞口縱斷面線形設計也是隧道洞口選線必不可少的內容,應遵循以下基本原則:

(1)對于隧道洞口縱斷面線形設計,應從洞口前后縱斷面線形,綜合考慮礦山公路隧道排水、通風、施工出渣、材料運輸等要求。

(2))對于隧道洞口縱斷面線形設計,一般宜采用單向坡,最小應≥0.3%,中短隧道宜≤3%(特長、長隧道宜≤2.5%)。

(3)對于地形及地質條件復雜的中短隧道,在采用措施將隧道行車安全性提高后,最大縱坡限值可按4%考慮,特殊情況下,通過詳細的技術與經濟論證后,可放大至5%。

3 山區公路隧道洞口選線工程實踐

3.1 隧道進洞口位置選擇

背景工程隧道進洞口位于礦山道路第3個彎道上,礦山原有道路圓曲線半徑小,僅為8 m,平均縱坡為14.5%,原舊路與等高線夾角較小,受地形限制,路線采取對原舊路進行改造設計,按四級公路標準建設,路基寬度為8.5 m,設計速度為20 km/h的方案。

進口段由于原礦山公路建設,破壞了原有地形地貌,形成了高仰坡,為避免高仰坡的不利影響,隧道進洞口采用明洞設計,提前進洞,同時做好洞口開挖、排水及防護措施(圖2)。

圖2 隧道進洞口路線平面圖

此外,隧道進口段位于水泥路拐彎處,原山體地表坡度為25°～35°,呈近直立陡坡,較完整灰巖③2層基巖裸露,目前坡體現狀基本穩定,巖層產狀CZ為171°∠48°,主要發育有節理J1為140°∠71°,0.5條/m;節理J2為253°∠67°,1條/m;節理J3為313°∠57°,1條/m。初擬進口端仰坡Py邊坡開挖坡率1∶0.5(63°),主要結構面產狀及洞口各坡體關系見圖3。根據結構面分析,進口端仰坡Py有一順向節理J2,左側有一順向貫穿連貫的節理J1,右側有順向節理J3,各側均有不穩定結構面,但節理J2、J3非貫穿坡體的結構面,結構面間鈣質膠結,對邊坡穩定性影響不大;節理J1傾角大于左側擬開挖邊坡坡角。因此,經綜合判斷,洞口位置仰坡、左右側邊坡均為較穩定結構邊坡,進洞口位置選擇較好。

圖3 隧道進洞口結構面產狀及各坡體關系圖

3.2 隧道進洞口洞門及防護設計

根據地形地質情況,背景工程隧道進洞口洞門形式采用削竹式接明洞,以減少對洞口邊坡的擾動和破壞。

此外,進洞口邊坡上部表層有厚1～2.5 m的碎塊石層,沿路堆填,結構松散,部分裸露的巖體受節理、裂隙切割影響,考慮到開挖洞口邊坡時局部會產生掉塊現象,易致滑塌垮落,成洞性能差,因此,設計時考慮先進行刷坡,洞口仰坡及兩側邊坡均采取掛網噴射混凝土等防護措施。

3.3 隧道出洞口位置選擇

背景工程隧道出洞口位于礦山南面山坡平臺附近,洞口路線與等高線接近垂直。由于出口位于沖溝附近,設計中對沖溝進行改移,進行排水防護(圖4)。

圖4 隧道出洞口路線平面圖

此外,隧道出口段位于山體向洼地過度的緩坡地帶,地表坡度為5°～20°,洞口兩側為沖溝,地表上覆蓋碎塊石層,厚度為2～5 m,部分溝底有較破碎的灰巖零星出露。巖層產狀CZ為104°∠50°,主要發育有節理J1為25°∠71°,1條/m;節理J2為197°∠76°,1條/m;節理J3為304°∠27°,1條/m。初擬出口仰坡P邊坡開挖坡率為1∶0.5(63°),主要結構面產狀及洞口各坡體關系見圖5。根據結構面分析,各側均有不穩定結構面,但對邊坡穩定性影響不大,出洞口位置選擇相對較好。

圖5 隧道出洞口結構面產狀及各坡體關系圖

3.4 隧道出洞口洞門及防護設計

根據地形地質情況,背景工程隧道出洞口洞門形式采用端墻式,為保證出洞口邊坡安全,邊坡開挖坡率采用1∶0.5～1∶0.75。

此外,由于洞口邊坡表層為厚2～5 m的碎塊石層,結構松散,但總體各側邊坡開挖最大高度約為12 m,高度不大,因此,設計時考慮先進行刷坡,洞口仰坡及兩側邊坡均采取了掛網噴射混凝土等防護措施。

3.5 隧道洞口線形設計

背景工程隧道路線全部位于直線段上,設計速度為20 km/h,3 s設計速度行程距離為16.68 m。隧道進洞口距離前交點HZ點的距離為31.49 m,洞口內外線形在3 s設計速度行程距離范圍內線形一致(圖6)。

圖6 進洞口平面線形圖

此外,出洞口內外線形在3 s設計速度行程距離范圍內線形也一致,也滿足規范設計要求(圖7)。

圖7 出洞口平面線形圖

縱斷面設計上,隧道內縱坡采用1.8%,滿足規范對長隧道最大縱坡控制在2.5%以下的要求,洞口縱斷面則保持洞內外線形一致,洞口距離前變坡點豎曲線設計終點39.2 m,滿足隧道洞口內外3 s設計速度行程范圍內的縱斷面線形一致的要求,且大于5 s設計速度行程距離,縱斷面總體設計較好(圖8)。

圖8 洞口縱斷面線形圖

4 結語

山區礦山公路隧道路線最關鍵的問題是隧道洞口位置的選擇及其線形設計,直接影響到公路工程造價與后期施工及運營的安全。因此,在山區進行礦山公路隧道設計時,應深入研究隧道洞口選擇和隧道線形設計,注重地形地質情況,注重自然環境保護和地質地災防護,注重隧道施工和運營的安全。